接触式热电偶温度测量可靠性

摘要:为更多获取发动机的温度参数，某型发动机新增20个温度测点，用于测量发动机气瓶、涡轮泵、喷管等组件的表面温度或其周围的环境温度。温度测量是发动机工作时不可缺少的测试项目之一，更准确研究发动机在发射前预冷及飞行时与地面试车热环境差异，为研究天地差对发动机所造成的影响提供数据支持，监测发动机组件工作是否正常，及对发动机技术改进提供可靠的参考依据。
　　温度测量是发动机工作时不可缺少的测试项目之一,更准确研究发动机在发射前预冷及飞行时与地面试车热环境差异,为研究天地差对发动机所造成的影响提供数据支持,监测发动机组件工作是否正常,及对发动机技术改进提供可靠的参考依据。在温度测量中，温度变换器与接触式热电偶温度传感器配套使用，用于测量涡轮泵壳体表面的温度，发动机地面试车时发现预冷段存在温度异常升高的问题，无热源，温度升高与实际物理现象不符，温度参数异常。经分析，温度变换器系列存在共模抑制能力低的问题。
　　为提高温度变换器的共模电压抑制能力，提高测量的可靠性，计划采用仪表运放AD620SQ代替低噪声运放OP07A，并对电阻、电容进行适应性调整;更改后的产品共模电压抑制能力由约40mV/V提升为3mV/V。将发动机环境温度测量准确度由31%提高到3%。攻克了“温度变换器共模抑制比低”的问题。
1引言
　　某型发动机新增20个温度测点，用于测量发动机气瓶、涡轮泵、喷管等组件的表面温度或其周围.的环境温度。温度测量是发动机工作时不可缺少的测试项目之一,更准确研究发动机在发射前预冷及飞行时与地面试车热环境差异，为研究天地差对发动机所造成的影响提供数据支持，监测发动机组件工作是否正常，及对发动机技术改进提供可靠的参考依据。发动机的温度测量由温度传感器、温度变换器、温度传感器电缆三部分组成。
　　新增温度测点配套使用的温度传感器包括:铂电阻型和热电偶型温度传感器;温度变换器根据温度传感器输入形式不同，分为电阻-电压转换类型和亳伏电压-电压转换类型，其内部电路设计有所不同，具体见表1。
 
　　新增温度测点参加发动机3次试车后，数据分析时发现，使用热电偶型温度传感器的测点在发动机预冷时数据异常，在无热源的情况下，温度升高250K，与实际物理现象不符。经计算，该测点的测量精度为31%，远超出正常+3%的精度要求，如图1所示。
 
　　经分析试验研究，燃料即液氢和液氧流动产生的静电对热电偶测量有影响，用同批次同状态产品进行试验与电路原理仿真分析，发现温度变换器输出电压随共模电压变化而变化，电压变化值与共模电压值基本呈线性关系。温度变换器系列存在共模抑制能力低的问题。
　　为提高温度变换器的共模电压抑制能力，采用仪表运放AD620SQ代替低噪声运放OP07A,并对电阻、电容进行适应性调整;更改后的产品性能指标满足技术条件及任务书的要求，同时经过多次地面试车考核，共模电压抑制能力得到明显提高。
　　通过对热电偶温度测量的可靠性研究,进一步提升温度变换器在氢氧发动机复杂工作环境状态下的测量准确性。
2热电偶温度测量技术原理
2.1基本概念
　　共模电压:在每个导体和所规定的参考点之间(往往是大地或机架)出现的相量电压的平均值。或者说同时加在电压表两测量端和规定公共端之间的那部分输入电压的三分之一。
　　共模干扰:定义为任何载流导体与参考地之间的不希望有的电位差。共模干扰在导线与地(发动机机架)之间传输，-般指两根信号线上产生的幅度相等，相位相同的噪声，属于非对称性干扰。
差模干扰:定义为任何两个载流导体之间的不希望有的电位差
　　共模抑制比:为了说明差分放大电路抑制共模信号及放大差模信号的能力，常用来共模抑制比作为一项技术指标来衡量,其定义为放大器对差模信号的电压放大倍数Aud对共模信号的电压放大倍数Auc之比，称为共模抑制比。
　　仪表放大器:差分放大器的一种改良，具有输入缓冲器，不需要输入阻抗匹配，使放大器适用于测量以及电子仪器上。仪表放大器在线路图上是一颗运算放大器;但实际上是由三颗运算放大器所组成的，后级则是差分放大器，用于两个输入端的差分放大。
　　差分放大器:-.种将两个输入端电压差以一固定增益放大的电子放大器。
　　运算放大器:具有很高放大倍数的电路单元。在实际电路中，通常结合反馈网络共同组成某种功能模块，它是一种带有特殊耦合电路及反馈的放大器。
2.2热点偶温度传感器
　　热电偶温度传感器以点焊的方式安装在发动机被测部位，在安装时使用厚度为0.2~0.3mm的不锈钢压片，按使用说明书所述敏感部位点焊外见图2(1)，敏感部位再增加压片点焊固定措施图2(2),.根据走线情况固定电缆。
 
　　为了试验验证，找出问题，温度传感器采用了采用了点焊和绝缘后胶粘2种安装方式，通过几次试车更改温度传感器在发动机上的安装方式，进行数据积累，测试结果无明显改善，可以判断温度传感器安装方式对测量结果没有较大影响，不是主要原因。
2.3温度变换器原理
　　温度传感器和变换器用于发动机尾段温度参数的敏感响应，将传感器输出的非标准信号转换为0~5V标准的电压信号，供后端采集设备使用。温度变换器安装在发动机机架上，安装示意图见图3。
 
　　温度变换器安装在发动机机架上，温度变换器多点接地。同时，温度变换器在发动机路内有液氢液氧流动时，液体的流动产生的摩擦导致不同位置出现电势差，造成共模电压，从而使测试数据稳定性较差，温升较高，与实际工况不符，从而可以得出温度变换器共模电压抑制能力较差。
2.4产品测试及改进分析
　　对参加过试车的温度变换器进行复查分析，复查记录见表2。
 
温度变换器产品本身无故障问题，
　　温度变换器共模电压抑制测试情况见表3。测试方法为:传感器、变换器正常联试，在传感器信号输出端与信号地间加直流电压，测试变换器输出电压值。
 
　　经测试，发现温度变换器输出电压随共模电压变化而变化，电压变化值与共模电压值基本呈线性关系。
　　温度变换器输入端原理图见图4。理想情况下，不考虑电阻偏差，共模电压在0~10V间变化时，变换器输出电压均为4.798V，不随共模电压的变化而变化;而图4中的电阻精度均为0.1%，当电阻存在偏差时，变换器输出电压随共模电压的变化而变化，即电阻匹配性能会导致电路存在共模抑制能力低的问题。采用蒙特-卡罗分析法，电阻按0.1%精度随机取值，采集输出电压值，对比有无共模电压两种状态下100次数据，见图5。无共模电压时，变换器输出电压为4.792V~4.803V;共模电压为10V时,变换器输出电压为3.388V~5.786V，同时随电阻匹配关系而变化。可以发现共模电压的影响与电阻匹配关系相关。
 
　　经分析，温度变换器存在共模抑制能力弱的问题，其共模电压抑制能力取决于电阻匹配关系。采用仪表运算放大器AD620代替当前电路,可以解决共模电压抑制能力弱的问题。更改后的原理图见图6,分析有无共模电压两种状态下，电阻精度按0.1%随机变化时变换器输出电压，见图7。经仿真，无共模电压时变换器输出电压为4.765V~4.773V;有共模电压时变换器输出电压为4.769V~4.775V。可以认为，采用仪表放大器后，共模电压对变换器输出电压的影响很小，变换器共模抑制能力得到明显提升。
 
　　采用仪表运放AD620SQ代替低噪声运放OP07A,温度变换器YA8-141-12/17需要进行运放替换并对相应器件进行更改:
　　运算放大器OP07A和AD620B影响温度变换器性能指标的参数对比情况见表4。经对比，AD620B与OP07A性能相近，但失调电压和温漂要高于OP07A，失调电压最终影响变换器的零位离散性，温漂最终影响变换器的高低温误差。经查,温度变换器产品高温误差为0.01%~0.25%，低温误差为0.02%~0.21%,经估算更换成仪表运放后能够满足高低温误差最大可能达到0.8%，满足1%的指标要求。通过理论分析，可以认为，仪表运放AD620代替OP07方案可行，更改后的产品能够满足性能指标的要求。
 
3实施效果及试验验证
　　温度变换器更改后进行各项摸底测试共模抑制情况见表5。产品共模电压抑制能力测试情况见表5,测试方法同更改前。对比数据发现，产品更改后共模抑制能力大幅提升，由约40mV/V提升为3mV/V。
 
　　温度变换器提高共模电压抑制能力后，采用仪表运放AD620SQ代替低噪声运放OP07A，并对电阻、电容进行适应性调整。从温度变换器更改后的两次试车情况，如图8、图9所示，通过数据分析,预冷段平滑下降，无异常升高现象，温度正常，温度变换器更改措施有效。
 
　　经验证，产品技术状态更改后产品各项性能指标满足任务书和单机技术条件的要求;从单机测试及搭载试车情况可知，更改后产品的共模抑制能力得到了明显提升，更改措施有效。
　　温度传感器改进后共模抑制能力得到提高，表明电路的抑制温漂的能力越强。同时，电路上工艺的改进也符合航天相关标准的要求，为将来其他的发动机温度变换器的研制提供了很好的思路，应用前景
广阔。
4结论
　　本文通过地面热试车过程中，发现热电偶温度测量异常升高的现象，对温度传感器和温度变换器进行了分析，并温度变换器的改进设计，改进后的产品通过多次试验研究以及地面热试车考核，未出现与
　　实际测量环境不符合的现象，从而提高了温度传感器及变换器测量的可靠性。
　　近年来，随着发动机试验的不断增多，对发动机工作时组件的温度及发动机周围环境的温度的测量日益重要，温度超乎寻常的变化往往预示某些组件出现问题，温度变换器测量的研究,对于预研的氢氧发动机、液氧甲烷发动机的测量的研制等具有借鉴意义。